г. Москва
Обратная связь

Продажа жидкого азота и сухого льда. Аренда и продажа сосудов Дьюара.

Мы не привлекаем клиентов лозунгами, мы просто качественно выполняем свою работу.

Заказать обратный звонок
-->

Жидкий азот. От Фарадея до цифрового века. Краткая история технологии.

На сегодняшний день жидкий азот занимает залуженное место в промышленности, медицине, и даже массовой культуре. Однако способ его получения известен чуть более 100 лет, что по историческим меркам сосем не много, а тема сжижения газов и законы изменений агрегатного состояния вообще имеют многовековую проблематику. О том, как современное человечество покрывает сегодняшние нужды в жидком азоте, какие технологии использует, и какая череда исследований и открытий стоит за этим, расскажет эта статья.

О переходе газов в жидкое и твёрдое состояние было известно достаточно давно, уже в конце XVIII века, на заре современной химии, этот процесс сильно интересовал учёных мужей, так как часто спонтанно проявлялся во время химических реакций. И уже в первой половине XIX века Майкл Фарадей (рис. слева) начинает масштабное исследование этого явления, один за одним сжижая все известные на тот момент газы. К чести великого учёного, ему удалось получить в жидком виде большинство газов, за исключением водорода, кислорода, закиси углерода и конечно азота.  Фарадей предположил, что неудача в сгущении этих газов происходит ввиду слишком высоких температур. Технологически достичь достаточно низких температур на то время не представлялось возможным. Физики и химики продолжали экспериментировать с давлением, но «упрямые» газы (кислород и водород) даже при давлении почти в 3000 атмосфер сжимались в 800-1000 раз, совершенно отказываясь становиться жидкостью, за что получили звание «постоянные газы».

Надо сказать, что сжижение газов было бы совершенно невозможным, если бы в той же первой половине XIX века не шли исследования жидкостей и газов в противоположном направлении. В 1822 г., нагревая эфир де Латур заметил, что при нагревании до 190°С эфир из жидкого состояния резко обращается в пар, а значит пар имеет плотность равную плотности жидкости. Исследования Менделеева (рис. справа), Гирна и Дриона показали, что у всех жидкостей, нагретых выше температуры кипения при высоком давлении изрядно возрастает коэффициент расширения.

 

 

Исходя из этих опытов в 1961г. Менделеев приходит к выводу, что у всех жидкостей есть пороговая температура, при которой она независимо от давления превращается в газ, и называет её температурой абсолютного кипения. Это оказалось ключевым понятием для сжижения газов, стало окончательно ясно, что если температуру постоянных газов не опустить до критически низкой отметки, то давление здесь не поможет. И лишь в 1877г. Раулю Пикте (рис. слева)  удаётся сжижить воздух, а Дж. Дьюару в 1898г. обратить в жидкость водород и усовершенствовать оборудование для хранения, чтобы сделать опыты доступными для лекций и демонстраций.

С тех пор сжиженые газы освоились во многих прикладных и промышленных отраслях деятельности человека, потребности росли вместе с развитием промышленности и расходах на войны, сжиженый кислород стал топливом для освоения космоса, вычислительные технологии стали требовать мощных хладогентов. Сжиженый азот стал требоваться в глобальных масштабах. Технологии его получения, хранения и транспортировки совершенствовались.

Сегодня жидкий азот получают  несколькими современными методами, тем не менее восходящими к открытиям Фарадея, Менделеева, Пикте и пр. Эти технологии позволяют получать азот от 99.999% чистоты (чистый азот) до 99,6% (технический). Чистота определяется испарением азота в специальном приборе, где газ отделяется от примесей и подсчитывается объемная доля  (Испарённый объём минус образовавшиеся примеси). Прибор (сверху) состоит из колбы, трубок и испарителя, не требует сложных технических решений, весь процесс сопровождается только химическими реакциями с простыми реактивами (оксид железа, например. В народе- ржавчина).


Марки азота различной чистоты.

Наименование показателя Норма для марки газообразного и жидкого азота
особой чистоты повышенной чистоты технического
1-й сорт 2-й сорт 1-й сорт 2-й сорт 1-й сорт 2-й сорт
1. Объемная доля азота, %, не менее 99,999 99,996 99,99 99,95 99,6 99,0
2. Объемная доля кислорода, %, не более 0,0005 0,001 0,001 0,05 0,4 1,0
3. Объемная доля водяного пара в газообразном азоте, %, не более 0,0007 0,0007 0,0015 0,004 0,009 Выдерживает испытание по п. 3.6
4. Содержание масла в газообразном азоте Не определяется Выдерживает испытание по п. 3.7
5. Содержание масла, механических примесей и влаги в жидком азоте Выдерживает испытание по п. 3.8
6. Объемная доля водорода, %, не более 0,0002 0,001 Н е   н о р м и р у е т с я
7. Объемная доля суммы углеродсодержащих соединении в пересчете на СН4, %, не более 0,0003 0,001 Н е   н о р м и р у е т с я

Чистый азот получают следующими методами:

Перегонка воздуха. Мембранный метод.

(справа) Воздух смесь газов, все они имеют разную температуру сжижения. Воздух забирается из атмосферы, фильтруется от тяжёлых примесей (пыль, водяной пар, CO2) и сжимается при низкой температуре. Первым отгоняется азот при температуре менее 196 градусов. Смесь проводят сквозь мембрану, задерживающую примеси. Затем отводят кислород, и аргон. Чистота азота (95%-99,6) при этом методе зависит от качества фильтрации и точности измерений. Несмотря на это, большие объёмы получаемые этим методом являются необходимостью для промышленности.


“МЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА”

“В основе работы мембранной установки лежит принцип избирательной проницаемости: влага, СО2 и кислород (О2) проникают через стенку мембраны легче, чем азот (N2)”    

(виден конденсационный бак и разделительный тракт)


 

 

Перегонка. Адсорбационный метод.

Фильтрованный воздух в сжатом виде и под давлением подаётся в генератор азота. В адсорбационной установке вместо мембраны используется адсорбент, молекулярное сито из синтетических углеродных волокон, задерживающие все газы кроме азота. Молекула азота крупнее кислорода и пр. примесей, которые задерживаются в порах адсорбента, пока азот «пролетает» дальше, будучи крупноват для такого маневра. Это основной процесс при адсорбационном воздухоразделе азотным генератором. Такая установка обойдётся промышленнику дороже мембранной, как при покупке так и в обслуживании, но, продукт найдёт спрос в тонких областях, вроде криомедицины.

 

Более чистый азот получают в лаборатории, в гораздо более скромных объёмах.  В реакциях используют горючие, ядовитые и труднодоступные для обывателя реактивы, такие как нитрат аммония, азотная кислота, аммиак и азид лития. Лаборатория это не завод, и объёмы для производства несколько не подходят, но чистота продукта до тысячной доли процента (10⁻⁵)- необходимое условие для создания и пайке современной электроники, при которой, даже малая доля примеси в защитном газе, может окислить микросхему и испортить дорогостоящую плату, содержащую ценные металлы.

При производстве конечно используется целая ферма из азотных генераторов (справа- адсорбационный генератор, внизу- детандер), заполняющих хранилища и специальные толстостенные дьюары из штампованной стали. Поскольку азот не горюч и не токсичен перевозить его можно наземным транспортом. А вот в трубопроводе он чувствует себя не удобно, нагревается, кипит, создаёт давление и требует холода, так что если в контуре охлаждения как хладогент азот может циркулировать, то на больших расстояниях и при больших объёмах будет требовать затрат на работу рефрежираторов, стоящих как пенсионеры в кассу (близко, шумно, и колонной уходящей в горизонт). Грузовик может отвезти много дьаров, но большую часть объема займут полые стенки сосудов. Парадокс, но больше азота=меньше азота, потому объёмы от 10-15тыс литров перевозят в криотанках. Воображение читателя могло сейчас нарисовать крепость на гусеницах с холодильной пушкой, но всё тривиальнее. Криотанк  это гибрид цистерны и термоса (сокращение «ЦисТер» ,похоже, вносило путаницу). Правда по внешнему виду эта чудо-бочка пошла в дирижабль. Дед как оказалось не только аэронавтики, но ещё и старейший гигантский резервуар для транспортировки газа  и нескольких людей впридачу. Двойная обшивка криотанка для термоизоляции сконструирована как двойная обшивка цеппелинов, изолирующая водород от огня подальше, прямых солнечных лучей и тёплых воздушных масс. Стальной внутренний контур обладает достаточной прочностью, а изоляция поддерживает разницу температур со средой более 200 градусов. Если внешняя стенка нагрета до +6, то внутри -196.  В таких условиях азот не улетучивается и не расширяется, что ещё больше минимизирует потери (дьюары не герметичны ввиду недостаточной прочности стенок, утечка обусловлена самой конструкцией, что бы расширяющийся газ не вышел внезапно на волю, разорвав стенки дьюара как Просперо кандалы.


Слева: Чертёж криотанка. На чертеже видны двойные стенки внутреннего и внешнего бака разделённые вакумом.


 Справа: Криотанк 20 тыс.л. готовый к установке и транспортировке. вес-10 тонн.


По мимо принципиального устройства, криотанки мало что объединяет. Они бывают стационарные, небольшие, гигантские, для контейнеровозов и для поездов, бывают шарообразные, цилиндрические, конусовидные, в общем любых размеров, форм, объёмов для любых мыслимых способов перевозки. Заправляет их специальная станция для заправки сжиженных газов, оборудованная мощными насосами, компрессорами и особо надёжными соединительными узлами, так как помимо азота на них так же заправляют кислород, водород, СПГ, утечка которых может обернуться соболезнованиями президентов соседних, стран и выплатой пособий семьям персонала. Меры и системы безопасности на них самого высокого уровня, ответственные узлы дублируются автоматикой, а меры к персоналу исключают любую случайность, потому аварии там куда реже чем на бензиновых заправках или нефтяных разработках. С этих станций азот поступает на рынок и охлаждает нашу бурлящую цивилизацию, нуждающуюся не только в энергии, но и в контроле за ней, лучшим средством для которого и по сей день остаётся жидкий азот, созданный почти 150 лет назад в мире только готовящимся к рывку, осуществлённому благодаря упорству, любознательности и уму изобретателей того неторопливого века.


 

“Естественная система элементовъ  Д.Менделъева.”

 

 

“Завод сжиженых газов”

Китай.


23.05.2017 г.

Автор: Лой Илья ака “Кот”

 

Комментарии:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *